(57)【要約】【課題】周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化の影響で非火災報や失報を生じることのない火災感知器を提供する。【解決手段】音圧比算出手段４０は、音源部１ａから受波素子３ａに伝わる第１の超音波の音圧と、第１の超音波より長い伝播経路を通して音源部１ｂから受波素子３ｂに伝わる第２の超音波の音圧との比を音圧比として算出する。音圧比補正手段４５は、音圧比算出手段４０の出力について、煙がない状態での監視空間における超音波の吸収減衰の減衰係数の変化に起因した変動分をキャンセルするように前記音圧比を補正する。煙濃度推定手段４１では、減衰係数の変化に起因した変動分がキャンセルされた音圧比を用いて、監視空間の煙濃度を推定する。火災判断手段４２は、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、受波素子の出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、信号処理部は、音源部と受波素子との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して音源部から受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出手段と、音圧比算出手段で算出される音圧比に基づいて監視空間の煙濃度を推定し、当該煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する火災判断手段と、煙がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定手段と、減衰係数推定手段で推定される減衰係数に基づき、当該減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正手段とを有することを特徴とする火災感知器。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記監視空間における温度と湿度と気圧との少なくとも１つをパラメータとして計測するパラメータ取得手段を具備し、前記減衰係数推定手段は、前記パラメータを用いて前記減衰係数を推定することを特徴とする請求項１記載の火災感知器。
【請求項３】
前記パラメータ取得手段は、前記監視空間の温度を計測する温度計測手段と、前記監視空間の音速を求める音速計測手段とを有し、前記減衰係数推定手段は、温度計測手段で計測される温度と、当該温度および音速計測手段で求められる音速から算出される湿度とを前記パラメータとして用いることを特徴とする請求項２に記載の火災感知器。
【請求項４】
前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子は各反射面上にそれぞれ配置され、各反射面は、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記音圧比算出手段は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出し、前記信号処理部は、前記監視空間における音速を求める音速計測手段を有し、前記音圧比補正手段は、音速計測手段で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の火災感知器。
【請求項５】
前記音速計測手段は、前記音圧比算出手段において前記音圧比の算出対象となる複数の音波に関する前記伝播経路の経路長の差を、前記複数の音波がそれぞれ前記音源部から前記受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより前記音速を算出することを特徴とする請求項３または請求項４に記載の火災感知器。
【請求項６】
前記受波素子は、互いに対向配置された固定電極および可動電極と、気圧が一定に維持されている基準圧室と前記監視空間とを隔てる隔壁を有し、可動電極が前記隔壁の一部に配設され、隔壁が監視空間側から音波を受けることで可動電極と固定電極との距離が変化し可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する静電容量型受波素子からなり、前記パラメータ取得手段は、前記静電容量の変化に基づいて前記監視空間の気圧を計測する気圧計測手段を具備することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の火災感知器。
【請求項７】
前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子は各反射面上にそれぞれ配置され、前記音圧比算出手段は、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波である直接波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波である反射波との間の音圧比を算出し、前記信号処理部は、前記直接波と反射面での反射回数の異なる複数の前記反射波との音圧に基づいて反射面における音波の反射率に関する値を推定する反射率変化推定手段と、反射率変化推定手段で推定される値に基づき、前記反射率の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する反射率変化補正手段とを有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の火災感知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、監視空間の煙濃度から火災の有無を判断する火災感知器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、火災時などに発生する煙を感知する火災感知器として、散乱光式煙感知器（たとえば特許文献１参照）や、減光式煙感知器（たとえば特許文献２参照）が知られている。ここにおいて、散乱光式煙感知器は、発光ダイオード素子よりなる投光素子から監視空間に照射された光の煙粒子による散乱光をフォトダイオードよりなる受光素子で受光するように構成されたものであり、監視空間に煙粒子が存在すれば散乱光が生じることによって受光素子での受光量が増大するから、受光素子での受光量の増加量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。一方、減光式煙感知器は、投光素子から照射された光を受光素子で直接受光するように構成されたものであり、投光素子と受光素子との間の監視空間に煙粒子が存在すれば受光素子の受光量が減少するから、受光素子での受光量の減光量に基づいて煙粒子の存否を検知できる。
【０００３】
ところで、散乱光式煙感知器は、迷光対策としてラビリンス体を設ける必要があるので、空気の流れが少ない場合には、火災発生時に監視空間へ煙粒子が侵入するまでの時間が長くなり、応答性に問題があった。また、減光式煙感知器においては、火災が発生していないにもかかわらずバックグランド光の影響で発報してしまう（非火災報が発生してしまう）ことがあるという問題があった。また、分離型の減光式煙感知器は、投光素子と受光素子との光軸を高精度に軸合わせする必要があり、施工に手間がかかるという問題があった。
【０００４】
上述した光電式の火災感知器の問題点を解決するために、本出願人は、音波（たとえば超音波）を用いて煙の存否を検知する火災感知器を提案している。
【０００５】
この火災感知器は、図１９に示すように、音波を送波可能な音源部１と、音源部１を制御する制御部（図示せず）と、音源部１から送波された音波の音圧を検出する受波素子３と、受波素子３の出力に基づいて火災の有無を判別する信号処理部（図示せず）とを備える。信号処理部は、受波素子３の出力の基準値からの減衰量に基づいて音源部１と受波素子３との間の監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段と、推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する火災判断手段とを有する。すなわち、監視空間に煙粒子が入り込むと音源部１からの音波は受波素子３に到達するまでに音圧が低下し、受波素子３の出力の減衰量は監視空間の煙濃度に略比例して増加するので、この減衰量に基づき煙濃度を推定することで、火災の有無を判断することができる。
【０００６】
上述の音波式の火災感知器では、光電式の火災感知器で問題となるバックグランド光の影響をなくすことができ、散乱光式煙感知器に必要なラビリンス体を不要とすることができて火災発生時に監視空間へ煙粒子が拡散しやすくなるから、散乱光式煙感知器に比べて応答性を向上でき、また、減光式煙感知器に比べて非火災報の低減が可能になる。
【０００７】
ただ、上述した音波式の火災感知器では、音源部１や受波素子３の経時変化（たとえば、経年劣化）や周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に起因して音源部１や受波素子３に特性変化が生じ、監視空間の煙濃度にかかわらず受波素子３の出力の基準値からの減衰量が変動することで、結果的に非火災報や失報を生じる可能性がある。
【０００８】
そこで、本出願人は、それぞれ経路長の異なる伝播経路を通して音源部１から受波素子３に伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出手段を信号処理部に付加し、煙濃度推定手段において前記音圧比の初期値からの変化量に基づき監視空間の煙濃度を推定する構成をさらに考えている。具体的には、互いに離間距離の異なる２組の音源部１ａ，１ｂ（図１参照）および受波素子３ａ，３ｂ（図１参照）を設け、経路長Ｌ１の伝播経路を通して一方の音源部１ａから受波素子３ａに伝わる音波の音圧と、経路長Ｌ２（＞Ｌ１）の伝播経路を通して他方の音源部１ｂから受波素子３ｂに伝わる音波の音圧との比を音圧比として音圧比算出手段で算出する。
【０００９】
この構成では、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部１や受波素子３に特性変化が生じたとしても、当該特性変化は伝播経路長の異なる前記複数の音波に一律に影響するため、音圧比算出手段で算出される音圧比に影響することはない。したがって、前記音圧比の初期値からの変化量に基づいて煙濃度を推定する煙濃度推定手段においては、経時変化や周囲環境の変化に起因した音源部１や受波素子３の特性変化の影響を受けることなく煙濃度を推定することができ、結果的に、音源部１や受波素子３に生じる前記特性変化の影響で非火災報や失報を生じることはない。
【特許文献１】特開２００１−３４８６２号公報
【特許文献２】特開昭６１−３３５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、音波は空気中を伝播する際、空気中における吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するため、音波式の火災感知器では、音源部１から送波された音波は受波素子３に到達するまでの間に音圧が低下する。ここに、吸収減衰および拡散減衰による音圧の低下率Ｂ１，Ｂ２はいずれも伝播経路の経路長ｘの関数として表すことができ、吸収減衰による音圧低下率Ｂ１はＢ１＝ｅ−α・ｘ、拡散減衰による音圧低下率Ｂ２は１／（２πｘ）で表される。要するに、音源部１から送波される音波の音圧をＰ０とすれば、受波素子３で受波される音圧Ｐｘは、以下の式で表される。
【００１１】
【数１】
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【００１２】
ここにおいて、上式中のαは空気による音波の吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質となる空気の温度、湿度、気圧と、音波の周波数との関数で表されることが知られている（参考文献１：H.E.Bass 外、「Atmospheric absorption ofsound:Further developments」、The Journal of theAcoustical Society of America、1995、Volume 97、Issue 1、p.680−683）。そのため、前記減衰係数αは、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に起因して変化することがある。
【００１３】
そして、減衰係数αが変化すると、監視空間の煙濃度にかかわらず前記音圧比が変動することがある。すなわち、減衰係数αが変化したときに、受波素子３で受波される音波の吸収減衰による音圧低下率Ｂ１は変化するが、伝播経路の経路長ｘが異なる複数の音波間では前記音圧低下率Ｂ１の変化量に差が生じるので、減衰係数αが変化することで前記音圧比が変動し、結果的に非火災報や失報を生じる可能性がある。
【００１４】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化の影響で非火災報や失報を生じることのない火災感知器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、音波を送波可能な音源部と、音源部を制御する制御部と、音源部から送波された音波の音圧を検出する受波素子と、受波素子の出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部とを備え、信号処理部が、音源部と受波素子との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して音源部から受波素子にそれぞれ伝播された複数の音波間の音圧比を算出する音圧比算出手段と、音圧比算出手段で算出される音圧比に基づいて監視空間の煙濃度を推定し、当該煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する火災判断手段と、煙がない状態での前記監視空間における音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定手段と、減衰係数推定手段で推定される減衰係数に基づき、当該減衰係数の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する音圧比補正手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、減衰係数推定手段は、監視空間での空気による音波の吸収減衰の減衰係数を推定し、音圧比補正手段では、前記減衰係数の変化に起因する音圧比の変動分を取り除くように音圧比を補正するので、周囲環境の変化に起因して減衰係数が変化することがあっても、当該減衰係数の変化による音圧比の変化は推定される煙濃度には影響しない。結果的に、周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化が非火災報や失報の原因となることはない。
【００１７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記信号処理部が、前記監視空間における温度と湿度と気圧との少なくとも１つをパラメータとして計測するパラメータ取得手段を具備し、前記減衰係数推定手段は、前記パラメータを用いて前記減衰係数を推定することを特徴とする。
【００１８】
この構成によれば、監視空間における温度と湿度と気圧との少なくとも1つをパラメータとして減衰係数を推定するので、比較的簡単な方法で取得可能なパラメータを用いながらも、減衰係数を精度よく推定することができる。
【００１９】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記パラメータ取得手段が、前記監視空間の温度を計測する温度計測手段と、前記監視空間の音速を求める音速計測手段とを有し、前記減衰係数推定手段が、温度計測手段で計測される温度と、当該温度および音速計測手段で求められる音速から算出される湿度とを前記パラメータとして用いることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、温度計測手段で計測される温度および音速計測手段で求められる音速から湿度を算出しているので、湿度を計測するための新たなデバイスを付加する必要がないという利点がある。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子が各反射面上にそれぞれ配置され、各反射面が、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなり、前記音圧比算出手段が、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波との間の音圧比を算出し、前記信号処理部が、前記監視空間における音速を求める音速計測手段を有し、前記音圧比補正手段が、音速計測手段で得られた音速に基づき、当該音速の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正することを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、単一の音源部から送波された音波を経路長の異なる伝播経路を通して単一の受波素子に伝播させることができ、単一の音源部から送波され単一の受波素子で受波される複数の音波間の音圧比を算出することができる。したがって、算出される音圧比は複数の音源部間に生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子間に生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがなく、結果的に音圧比の算出精度が向上する。しかも、音源部から同時に送波された音波について音圧比を算出するので、算出される音圧比は音源部の駆動タイミングによって生じる音圧のばらつきの影響を受けることもない。さらに、反射面を用いることにより経路長に対して相対的に火災感知器の小型化を図ることができる。また、各反射面が、前記音源部からの音波を集音する形に湾曲した凹曲面からなるから、反射面での反射を繰り返しても音波が拡散しにくく、したがって、音源部と受波素子との間における音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。その結果、監視空間中に煙粒子がない状態において受波素子で受波される音波の音圧を高く維持でき、煙濃度の変化量に対する受波素子の出力の変化量が比較的大きくなり、ＳＮ比が向上するという利点がある。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項３または請求項４の発明において、前記音速計測手段が、前記音圧比算出手段において前記音圧比の算出対象となる複数の音波に関する前記伝播経路の経路長の差を、前記複数の音波がそれぞれ前記音源部から前記受波素子に伝播されるのに要した時間差で除することにより前記音速を算出することを特徴とする。
【００２４】
この構成によれば、音圧比を算出するために受波素子で検出される複数の音波を利用して監視空間の音速を算出することができるので、音速を計測するために新たなデバイスを付加する必要がないという利点がある。
【００２５】
請求項６の発明は、請求項２または請求項３の発明において、前記受波素子が、互いに対向配置された固定電極および可動電極と、気圧が一定に維持されている基準圧室と前記監視空間とを隔てる隔壁を有し、可動電極が前記隔壁の一部に配設され、隔壁が監視空間側から音波を受けることで可動電極と固定電極との距離が変化し可動電極と固定電極との間の静電容量が変化する静電容量型受波素子からなり、前記パラメータ取得手段が、前記静電容量の変化に基づいて前記監視空間の気圧を計測する気圧計測手段を具備することを特徴とする。
【００２６】
この構成によれば、受波素子の出力を利用して監視空間の気圧を計測しているので、気圧を計測するための新たなデバイスを付加する必要がないという利点がある。
【００２７】
請求項７の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記音源部から送波された音波の進行方向において互いに対向するように配置されそれぞれ音波を反射する一対の反射面が設けられており、前記音源部および前記受波素子は各反射面上にそれぞれ配置され、前記音圧比算出手段が、前記音源部から前記受波素子に直接伝播される音波である直接波と反射面で反射されて前記受波素子に伝播される音波である反射波との間の音圧比を算出し、前記信号処理部が、前記直接波と反射面での反射回数の異なる複数の前記反射波との音圧に基づいて反射面における音波の反射率に関する値を推定する反射率変化推定手段と、反射率変化推定手段で推定される値に基づき、前記反射率の変化に起因する前記音圧比の変動分を取り除くように前記音圧比を補正する反射率変化補正手段とを有することを特徴とする。
【００２８】
この構成によれば、反射率変化推定手段は、反射面における音波の反射率に関する値を推定し、反射率変化補正手段では、前記反射率の変化に起因する音圧比の変動分を取り除くように音圧比を補正するので、周囲環境の変化、あるいは反射面の経年劣化や反射面の汚れ等に起因して反射面の反射率が変化することがあっても、当該反射率の変化による音圧比の変化は推定される煙濃度には影響しない。結果的に、周囲環境の変化、あるいは反射面の経年劣化や反射面の汚れ等に起因した反射面の反射率が、非火災報や失報の原因となることはない。なお、反射面の経年劣化や反射面の汚れ等に起因した反射率の変化は、減衰係数の変化とは異なり、監視空間における温度、湿度、気圧をパラメータに用いて推定することはできないが、音源部から受波素子に直接伝播される直接波の音圧と反射面で反射されてから受波素子に伝播される複数の反射波の音圧とを用いれば推定することが可能である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、周囲環境の変化に起因した減衰係数の変化の影響で非火災報や失報を生じることがないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（実施形態１）
本実施形態の火災感知器は、図１に示すように、超音波を送波可能な一対の音源部１ａ，１ｂ（以下、両音源部１ａ，１ｂを特に区別しないときは音源部１という）と、音源部１ａ，１ｂを制御する制御部２と、各音源部１ａ，１ｂから送波された超音波の音圧を検出する一対の受波素子３ａ，３ｂ（以下、両受波素子３ａ，３ｂを特に区別しないときは受波素子３という）と、各受波素子３ａ，３ｂの出力に基づいて火災の有無を判断する信号処理部４とを備えている。なお、ここでは超音波を送受波する音源部１および受波素子３を採用しているが、音源部１および受波素子３は、超音波に限らず音波を送受波するものであればよい。
【００３１】
ここにおいて、音源部１と受波素子３とは、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとを組とし、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとを組として、円盤状のプリント基板からなる回路基板５（図１９参照）の一表面側に、各組を成す音源部１ａ，１ｂと受波素子３ａ，３ｂとが互いに離間して対向配置されている。回路基板５には制御部２および信号処理部４が設けられている。また、回路基板５の上記一表面には、音源部１から送波された超音波の反射を防止する吸音層（図示せず）が設けられているので、音源部１から送波された超音波が回路基板５で反射して受波素子３に入射するのを防止することができて、反射波の干渉を防止することができ、特に、音源部１から送波させる超音波として連続波を用いる場合に有効である。
【００３２】
本実施形態では、音源部１として、後述のように空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生させる音波発生素子を用いることで、圧電素子に比べて残響時間が短い超音波を送波するようにし、且つ、受波素子として、共振特性のＱ値が圧電素子に比べて十分に小さく受波信号に含まれる残響成分の発生期間が短い静電容量型のマイクロホンを用いている。
【００３３】
ここにおいて、音源部１は、図２に示すように、単結晶のｐ形のシリコン基板からなるベース基板１１の一表面（図２における上面）側に多孔質シリコン層からなる熱絶縁層（断熱層）１２が形成され、熱絶縁層１２の表面側に発熱体部として金属薄膜からなる発熱体層１３が形成され、ベース基板１１の上記一表面側に発熱体層１３と電気的に接続された一対のパッド１４，１４が形成されている。なお、ベース基板１１の平面形状は矩形状であって、熱絶縁層１２、発熱体層１３それぞれの平面形状も矩形状に形成してある。また、ベース基板１１の上記一表面側において熱絶縁層１２が形成されていない部分の表面にはシリコン酸化膜からなる絶縁膜（図示せず）が形成されている。
【００３４】
上述の音源部１では、発熱体層１３の両端のパッド１４，１４間に通電して発熱体層１３に急激な温度変化を生じさせると、発熱体層１３に接触している空気（媒質）に急激な温度変化（熱衝撃）が生じる（つまり、発熱体層１３に接触している空気に熱衝撃が与えられる）。したがって、発熱体層１３に接触している空気は、発熱体層１３の温度上昇時には膨張し発熱体層１３の温度下降時には収縮するから、発熱体層１３への通電を適宜に制御することによって空気中を伝播する超音波を発生させることができる。要するに、音源部１を構成する音波発生素子は、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の急激な温度変化を媒質の膨張収縮に変換することにより媒質を伝播する超音波を発生するので、圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する場合に比べて、残響の少ない単パルス状の超音波を送波させることができる。
【００３５】
上述の音源部１は、ベース基板１１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層１２を多孔度が略６０〜略７０％の多孔質シリコン層からなる多孔質層により構成しているので、ベース基板１１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液とエタノールとの混合液からなる電解液中で陽極酸化処理することにより熱絶縁層１２となる多孔質シリコン層を形成することができる（ここで、陽極酸化処理により形成された多孔質シリコン層は、結晶粒径がナノメータオーダの微結晶シリコンからなるナノ結晶シリコンを多数含んでいる）。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなるので、熱絶縁層１２の熱伝導率および熱容量をベース基板１１の熱伝導率および熱容量に比べて小さくし、熱絶縁層１２の熱伝導率と熱容量との積をベース基板１１の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さくすることにより、発熱体層１３の温度変化を空気に効率よく伝達することができ発熱体層１３と空気との間で効率的な熱交換が起こり、且つ、ベース基板１１が熱絶縁層１２からの熱を効率よく受け取って熱絶縁層１２の熱を逃がすことができて発熱体層１３からの熱が熱絶縁層１２に蓄積されるのを防止することができる。なお、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）であることが知られている。本実施形態では、熱絶縁層１２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層１２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０６Ｊ／（ｍ３・Ｋ）となっている。
【００３６】
発熱体層１３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあるが、発熱体層１３の材料はタングステンに限らず、たとえば、タンタル、モリブデン、イリジウム、アルミニウムなどを採用してもよい。また、上述の音源部１では、ベース基板１１の厚さを３００〜７００μｍ、熱絶縁層１２の厚さを１〜１０μｍ、発熱体層１３の厚さを２０〜１００ｎｍ、各パッド１４の厚さを０．５μｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。また、ベース基板１１の材料としてＳｉを採用しているが、ベース基板１１の材料はＳｉに限らず、たとえば、Ｇｅ、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよく、いずれの場合にも、ベース基板１１の一部を多孔質化することで形成した多孔質層を熱絶縁層１２とすることができる。
【００３７】
上述のように音源部１は、一対のパッド１４，１４を介した発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化に伴って超音波を発生するものであり、発熱体層１３へ与える駆動電圧波形あるいは駆動電流波形からなる駆動入力波形をたとえば周波数がｆ１の正弦波波形とした場合、理想的には、発熱体層１３で生じる温度振動の周波数が駆動入力波形の周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２となり、駆動入力波形ｆ１の略２倍の周波数の超音波を発生させることができる。すなわち、上述の音源部１は、平坦な周波数特性を有しており、発生させる超音波の周波数を広範囲にわたって変化させることができる。また、上述の音源部１では、たとえば正弦波波形の半周期の孤立波を駆動入力波形として一対のパッド１４，１４間へ与えることによって、残響の少ない略１周期の単パルス状の超音波を発生させることができる。このような単パルス状の超音波を用いることにより、反射による干渉が起こりにくくなるので、上記吸音層を不要にすることもできる。また、音源部１は、熱絶縁層１２が多孔質層により構成されているので、熱絶縁層１２が非多孔質層（たとえば、ＳｉＯ２膜など）からなる場合に比べて、熱絶縁層１２の断熱性が向上して超音波発生効率が高くなり、低消費電力化を図れる。
【００３８】
音源部１を制御する制御部２は、図示していないが、音源部１に駆動入力波形を与えて音源部１を駆動する駆動回路と、当該駆動回路を制御するマイクロコンピュータからなる制御回路とで構成されており、音源部１から超音波が間欠的に送波されるように音源部１を間欠的に駆動する。
【００３９】
また、上述の受波素子３を構成する静電容量型のマイクロホンは、図３に示すように、シリコン基板に厚み方向に貫通する窓孔３１ａを設けることで形成された矩形枠状のフレーム３１と、フレーム３１の一表面側においてフレーム３１の対向する２つの辺に跨る形で配置されるカンチレバー型の受圧部３２とを備えている。ここにおいて、フレーム３１の一表面側には熱酸化膜３５と熱酸化膜３５を覆うシリコン酸化膜３６とシリコン酸化膜３６を覆うシリコン窒化膜３７とが形成されており、受圧部３２の一端部がシリコン窒化膜３７を介してフレーム３１に支持され、他端部が上記シリコン基板の厚み方向においてシリコン窒化膜３７に対向している。また、シリコン窒化膜３７における受圧部３２の他端部との対向面に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる固定電極３３ａが形成され、受圧部３２の他端部におけるシリコン窒化膜３７との対向面とは反対側に金属薄膜（たとえば、クロム膜など）からなる可動電極３３ｂが形成されている。なお、フレーム３１の他表面にはシリコン窒化膜３８が形成されている。また、受圧部３２は、上記各シリコン窒化膜３７，３８とは別工程で形成されるシリコン窒化膜により構成されている。
【００４０】
図３に示した構成の静電容量型のマイクロホンからなる受波素子３では、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとを電極とするコンデンサが形成されるから、受圧部３２が疎密波の圧力を受けることにより固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。したがって、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド（図示せず）間に直流バイアス電圧を印加しておけば、パッドの間には超音波の音圧に応じて微小な電圧変化が生じるから、超音波の音圧を電気信号に変換することができる。
【００４１】
ここにおいて、音源部１ａ，１ｂと受波素子３ａ，３ｂとは各組ごとに両者間の距離が異なるように配置されており、本実施形態では、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの離間距離に比べて、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの離間距離が長くなる配置を採用している。これにより、図４（ａ）に示すように、第１の音源部１ａから送波された第１の超音波Ｓｗ１と第２の音源部１ｂから送波された第２の超音波Ｓｗ２とは、音源部１と受波素子３との間の監視空間のうち経路長の異なる伝播経路を通して、それぞれと組を成す受波素子３ａ，３ｂに伝播されることとなる。つまり、第１の受波素子３ａで受波される第１の超音波Ｓｗ１の伝播経路は、第１の音源部１ａと第１の受波素子３ａとの離間距離を経路長Ｌ１として有し、一方、第２の受波素子３ｂで受波される第２の超音波Ｓｗ２の伝播経路は、第２の音源部１ｂと第２の受波素子３ｂとの離間距離を経路長Ｌ２として有することとなる。なお、各音源部１ａ，１ｂからの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２が互いに干渉することがないように両伝播経路を隔てる隔壁を設けてもよい。
【００４２】
本実施形態においては、両音源部１ａ，１ｂに同一特性のものを用いるとともに、両受波素子３ａ，３ｂに同一特性のものを用い、さらに、両音源部１ａ，１ｂを同一の条件（たとえば、送波させる超音波の音圧、周波数）で駆動するとともに、両受波素子３ａ，３ｂを同一の条件（たとえば、直流バイアス電圧）で使用している。ここに、火災感知器の周囲環境（たとえば、温度、湿度、気圧）が所定の状態に設定され、且つ音源部１や受波素子３に経時変化が生じておらず（たとえば、出荷前）、監視空間に浮遊粒子（煙粒子を含む）の侵入がない状態では、図４（ａ）のように各音源部１ａ，１ｂからの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２は、上述のように異なる経路長Ｌ１，Ｌ２を持つ伝播経路をそれぞれ通ることにより、各受波素子３ａ，３ｂにおいて受波される際には音圧Ｐ１０，Ｐ２０（第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧をＰ１０、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧をＰ２０とする）が互いに異なるものとなる。つまり、音源部１から送波された超音波は監視空間を伝播する際の伝播経路の経路長に応じて音圧が減衰することとなるので、経路長Ｌ２の伝播経路を通して第２の音源部１ｂから第２の受波素子３ｂに伝わる超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通して第１の音源部１ａから第１の受波素子３ａに伝わる超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１０に比べて低くなる。なお、制御部２は両音源部１ａ，１ｂを同時に駆動する必要はないものの、超音波の送波時間の累計が両音源部１ａ，１ｂで同一となるようにそれぞれを制御する。
【００４３】
ところで、信号処理部４は、図１に示すように、第１の受波素子３ａと第２の受波素子３ｂとのそれぞれで受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比を算出する音圧比算出手段４０と、音圧比算出手段４０で算出される音圧比の初期値からの変化量に基づいて音源部１と受波素子３との間の監視空間の煙濃度を推定する煙濃度推定手段４１と、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断する火災判断手段４２と、音圧比算出手段４０で算出された音圧比を記憶する記憶手段４３とを有している。
【００４４】
信号処理部４にはさらに、後述の減衰係数を推定する減衰係数推定手段４４と前記音圧比を補正する音圧比補正手段４５とが設けられているが、以下ではまず、減衰係数推定手段４４および音圧比補正手段４５を除いた信号処理部４の基本構成について説明する。なお、信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、上記各手段４０〜４５は、上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。また、信号処理部４には、受波素子３の出力信号をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換器（図示せず）なども設けられている。
【００４５】
ここでは、音圧比算出手段４０は、経路長Ｌ２の伝播経路を通して第２の音源部１ｂから第２の受波素子３ｂに伝わる超音波Ｓｗ２の音圧を、経路長Ｌ１（＜Ｌ２）の伝播経路を通して第１の音源部１ａから第１の受波素子３ａに伝わる超音波Ｓｗ１の音圧で除したものを音圧比として算出する。音圧比の初期値は、上述のように火災感知器の周囲環境が所定の状態に設定され、且つ音源部１や受波素子３に経時変化が生じておらず、さらに監視空間への浮遊粒子の侵入がない図４（ａ）の状態で、音源部１から受波素子３に超音波を送波することにより音圧比算出手段４０で算出される音圧比Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）であって、あらかじめ記憶手段４３に記憶される。また、このように算出した音圧比Ｒ０を初期値とするのではなく、設計段階で同等の初期値を設定（プログラム上で設定）するようにしてもよい。
【００４６】
煙濃度推定手段４１は、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳと、あらかじめ記憶手段４３に記憶された音圧比の初期値Ｒ０とを比較して、両者の差（つまり初期値Ｒ０からの音圧比ＲＳの変化量）に基づいて監視空間の煙濃度を推定するものである。詳しくは後述するが、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量は、監視空間の煙濃度に略比例して増加するので、あらかじめ測定した煙濃度と前記変化量との関係データに基づいて煙濃度と前記変化量との関係式を求めて記憶手段４３に記憶しておけば、上記関係式を用いて前記変化量から煙濃度を推定することができる。
【００４７】
また、火災判断手段４２は、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。ここで、制御部２は、火災判断手段４２からの火災感知信号を受信すると、音源部１から可聴域の音波からなる警報音が発生するように音源部１への駆動入力波形を制御する。したがって、音源部１から警報音を発生させることができるので、警報音を出力するスピーカなどを別途に設ける必要がなく、火災感知器全体の小型化および低コスト化が可能となる。なお、火災判断手段４２からの火災感知器信号の出力先は制御部２に限らず、たとえば、外部の通報装置へ出力するようにしてもよい。
【００４８】
上述した構成によれば、音源部１や受波素子３の経時変化や周囲環境の変化に起因して音源部１や受波素子３に特性変化が生じた場合、図４（ｂ）に示すように第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１１と、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２１のそれぞれは図４（ａ）の各値（Ｐ１０，Ｐ２０）から変動（ここでは低下）するものの、音圧比算出手段４０で算出される音圧比Ｒ１（＝Ｐ２１／Ｐ１１）に関しては図４（ａ）の状態で算出される初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）と略同一となる（つまりＲ１＝Ｒ０）。ただし、図４（ｂ）の例では監視空間への浮遊粒子（煙粒子を含む）の侵入はないものとする。すなわち、音源部１の経時変化や周囲環境の変化に起因した音源部１の特性変化は、第１および第２の両音源部１ａ，１ｂにおいて同様に生じ、また、受波素子３の経時変化や周囲環境の変化に起因した受波素子３の特性変化は、第１および第２の両受波素子３ａ，３ｂにおいて同様に生じるから、これらの特性変化が、音圧比算出手段４０で算出される音圧比Ｒ１に影響することはない。
【００４９】
一方、音源部１と受波素子３との間の監視空間に煙粒子（あるいはその他の浮遊粒子）が侵入すると、図４（ｃ）に示すように第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１Ｓと、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２Ｓのそれぞれが図４（ａ）の各値（Ｐ１０，Ｐ２０）から変動（ここでは低下）するだけでなく、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳ（＝Ｐ２Ｓ／Ｐ１Ｓ）に関しても図４（ａ）の状態で算出される初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）から変化する（つまり、ＲＳ≠Ｒ０）。すなわち、監視空間に煙粒子が入り込むと、音源部１からの超音波は受波素子３に到達するまでに音圧が低下するが、このときの音圧の減衰量は監視空間中を超音波が伝播した距離と監視空間の煙濃度との両方に依存するから、音圧比ＲＳは、音源部１ａおよび受波素子３ａ間の伝播経路の経路長Ｌ１と音源部１ｂおよび受波素子３ｂ間の伝播経路の経路長Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）、および監視空間の煙濃度に応じた分だけ初期値Ｒ０から変化することとなる。
【００５０】
具体的に説明すると、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価での監視空間の煙濃度をＣ〔％／ｍ〕、煙濃度１〔％／ｍ〕に対する１〔ｍ〕当たりの超音波の減衰率をβ、第１の音源部１ａから送波され第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の伝播経路の経路長をＬ１〔ｍ〕、第２の音源部１ｂから送波され第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の伝播経路の経路長をＬ２〔ｍ〕とした場合、第１の受波素子３ａで受波される超音波Ｓｗ１の音圧Ｐ１ＳはＰ１Ｓ≒Ｐ１０（１−βＣＬ１）で表され、第２の受波素子３ｂで受波される超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２ＳはＰ２Ｓ≒Ｐ２０（１−βＣＬ２）で表される。ここで、Ｐ１０，Ｐ２０は図４（ａ）の例において各受波素子３ａ，３ｂでそれぞれ受波される超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧を表しており、Ｌ１，Ｌ２についてはＬ１＜Ｌ２＜１と仮定している。上式で表されるＰ１ＳおよびＰ２Ｓと、音圧比の初期値Ｒ０＝Ｐ２０／Ｐ１０とを用いれば、音圧Ｐ１ＳとＰ２Ｓとの音圧比ＲＳ（＝Ｐ２Ｓ／Ｐ１Ｓ）の初期値Ｒ０からの変化量（つまり、Ｒ０−ＲＳ）は次式で表される。
【００５１】
Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０βＣ（Ｌ２−Ｌ１）／（１−βＬ１）
ここにおいてβＬ１が１よりも十分に小さければ、Ｒ０−ＲＳ＝Ｒ０βＣ（Ｌ２−Ｌ１）となり、音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）は、経路長の差（Ｌ２−Ｌ１）および監視空間の煙濃度Ｃに比例する形で表されることとなる。したがって、β、Ｌ１、Ｌ２が既知であれば、音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）に基づいて監視空間の煙濃度Ｃ〔％／ｍ〕を推定することができる。
【００５２】
また、煙濃度推定手段４１は、音圧比ＲＳにおける初期値Ｒ０からの変化量を初期値Ｒ０で除した変化率（Ｒ０−ＲＳ）／Ｒ０に基づいて監視空間の煙濃度を推定するようにしてもよい。音圧比の変化率においては、製造過程で生じた音源部１や受波素子３の特性のばらつきなどにより火災感知器間で生じる初期値Ｒ０のばらつきの影響が除去されているので、監視空間の煙濃度が同一であれば、初期値Ｒ０によらず煙濃度の推定結果を一律に揃えることができる。したがって、煙濃度への換算が容易になる。
【００５３】
なお、上述した条件下では、監視空間に煙粒子が流入することで音圧比ＲＳが初期値Ｒ０より大きくなること（つまりＲ０−ＲＳが負の値になること）はないから、火災判断手段４２では煙濃度推定手段４１から出力される煙濃度に対して負の閾値は設定されておらず、万一、煙濃度推定手段４１から負の煙濃度が出力されても、火災判断手段４２は誤検出と判断して「火災無し」と判断する。
【００５４】
以上説明した本実施形態の火災感知器によれば、経路長Ｌ１，Ｌ２の異なる複数の伝播経路を通して各音源部１ａ，１ｂから各受波素子３ａ，３ｂにそれぞれ伝播された複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比ＲＳを音圧比算出手段４０において算出し、煙濃度推定手段４１が、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量に基づいて監視空間の煙濃度を推定するので、経時変化や周囲環境の変化に応じて音源部１から送波される音波の音圧が変化したり受波素子３の感度が変化したりすることがあっても、これらの特性変化は前記複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２に一律に影響するため、前記複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳの変化に基づいて煙濃度推定手段４１で推定される煙濃度が前記特性変化の影響を受けることはない。結果的に、音源部１や受波素子３に生じる前記特性変化の影響で非火災報や失報を生じることはない。
【００５５】
ところで、本実施形態の火災感知器は、上述の基本構成に加え、周囲環境の変化に応じて変化する空気による超音波の吸収減衰の減衰係数を推定する減衰係数推定手段４４と、減衰係数推定手段４４で推定された前記減衰係数に基づいて音圧比を補正する音圧比補正手段４５とを信号処理部４に有している。以下、減衰係数推定手段４４および音圧比補正手段４５について説明する。
【００５６】
すなわち、前述したように、音源部１から送波された超音波は、煙がない状態でも監視空間での吸収減衰および拡散減衰により音圧が低下するが、このうち吸収減衰による音圧低下率Ｂ１は、伝播経路の経路長ｘを用いてＢ１＝ｅ−α・ｘで表すことができる。ここでαは吸収減衰の減衰係数であって、当該減衰係数αは、媒質（空気）の温度、湿度、気圧と、超音波の周波数との関数で表されることが知られている（参考文献１）。超音波の周波数は制御部２によって決定されているので、減衰係数推定手段４４は、監視空間の温度と湿度と気圧との少なくとも１つをパラメータとして前記減衰係数αを推定する。
【００５７】
本実施形態では、監視空間の温度を計測する温度計測手段４６と、監視空間における音速を計測する音速計測手段４７とが、前記パラメータを計測するパラメータ取得手段の構成要素として設けられており、減衰係数推定手段４４は、温度計測手段４６で計測される温度と、当該温度および音速計測手段４７で計測される音速から算出される監視空間の湿度とをパラメータに用いて減衰係数αを推定する。つまり、監視空間における音速Ｃは、監視空間における温度Ｔと水蒸気圧Ｅと気圧Ｐとの関数で次式のように表すことができるので、気圧Ｐを１（ａｔｍ）と仮定した場合、音速Ｃと温度Ｔとが求まれば次式より水蒸気圧Ｅが求まり、当該水蒸気圧Ｅから空気の湿度を算出できる。
【００５８】
【数２】
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【００５９】
温度計測手段４６は、サーミスタ、熱電対、温度センサＩＣ等の出力から温度を計測してもよい。音速Ｃ（ｍ／ｓ）は監視空間の温度Ｔ（摂氏温度）の関数として簡易的にＣ≒３３１．５＋０．６Ｔで表すことも可能であり、音速計測手段４７は、温度計測手段４６の計測結果から音速を概算してもよい。
【００６０】
また、他の例として、音速計測手段４７は、図５に示すように第１および第２の受波素子３ａ，３ｂでそれぞれ受波される第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路の経路長差（Ｌ２−Ｌ１）を、前記超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を受波するタイミングの時間差Δｔ０（図６（ａ）参照）で除することにより監視空間の音速を算出する構成であってもよい。つまり、前記超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の伝播経路の経路長差（Ｌ２−Ｌ１）は一定値であるが、前記時間差Δｔ０は図６（ｂ）に示すように監視空間の音速に応じて変化するので、音速の変化を（Ｌ２−Ｌ１）／Δｔ０の変化として求めることができる。なお、図６（ａ）は音圧比の初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）が算出された状態において受波素子３で受波される第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の波形を示し、この状態から監視空間の音速のみが変化した状態において受波素子３で受波される第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の波形を図６（ｂ）に示す。この構成では、音速を計測するためにサーミスタ、熱電対、温度センサＩＣのデバイスを付加する必要がなく、火災感知器の部品点数の削減を図ることができる。
【００６１】
音圧比補正手段４５は、上述のようにして得られた減衰係数αに基づいて、当該減衰係数αに起因した音圧比算出手段４０の出力（音圧比ＲＳ）の初期値Ｒ０からの変動分をキャンセルするように前記音圧比ＲＳを補正する。
【００６２】
要するに、周囲環境の変化（たとえば、温度、湿度、気圧などの変化）に伴い前記減衰係数αが変化すると、監視空間での超音波の吸収減衰による音圧低下率Ｂ１（＝ｅ−α・ｘ）が変化し、その結果、第１の超音波Ｓｗ１と第２の超音波Ｓｗ２との音圧比ＲＳが変動する。さらに詳しく説明すると、音圧低下率Ｂ１は伝播経路の経路長ｘの関数として表されるものであるから、伝播経路の経路長が異なる第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間では、減衰係数αの変化量が同じであっても、前記音圧低下率Ｂ１の変化量に差が生じる。したがって、減衰係数αが変化すれば、煙濃度にかかわらず第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳは変化する。
【００６３】
そこで、本実施形態の音圧比補正手段４５は、前記減衰係数αの変化に起因した前記音圧比ＲＳの変動分をキャンセルするように、減衰係数αの変化に応じて前記音圧比ＲＳを補正する。具体的には、図１に示すように音圧比算出手段４０の後段に音圧比補正手段４５を設け、音圧比算出手段４０で算出された音圧比ＲＳを音圧比補正手段４５で補正してから煙濃度推定手段４１に渡すようにしてある。このときの補正値は、減衰係数αの変化による音圧低下率Ｂ１の変動分を取り除くように決定される。これにより、煙濃度推定手段４１では、減衰係数αの変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、監視空間の煙濃度を推定することができるので、煙濃度推定手段４１で推定される煙濃度に、周囲環境変化による減衰係数αの変化が影響することはない。
【００６４】
したがって、周囲環境の変化により空気による吸収減衰の減衰係数αが変化することがあっても、火災判断手段４２では、当該減衰係数αの変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断することで、前記減衰係数αの変化に起因した非火災報や失報を低減することができ、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【００６５】
（実施形態２）
本実施形態の火災感知器は、各１個ずつの音源部１と受波素子３との間に経路長の異なる複数の伝播経路を形成するために、音源部１から送波された超音波を反射する一対の反射面を設けた点が実施形態１の火災感知器と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００６６】
本実施形態では、図７に示すように第１および第２の反射面７ａ，７ｂが音源部１から送波された超音波の進行方向（図７の左右方向）において互いに対向するように配置されている。各反射面７ａ，７ｂはそれぞれ超音波を反射するものであって、受波素子３は第１の反射面７ａ上に、音源部１は第２の反射面７ｂ上にそれぞれ配設される。ここで、音圧比算出手段４０は、音源部１から受波素子３に伝播されるまでに反射面７ａ，７ｂで反射された回数の異なる複数の超音波間の音圧比を算出する。
【００６７】
すなわち、図７のように音源部１から受波素子３に直接伝わる超音波（直接波）を第１の超音波Ｓｗ１とするとともに、音源部１から送波された後に第１の反射面７ａで反射され、さらに第２の反射面７ｂで反射されることによって受波素子３に伝わる超音波（反射波）を第２の超音波Ｓｗ２とする。しかして、反射面７ａ，７ｂでの反射回数が０回の第１の超音波Ｓｗ１と、反射面７ａ，７ｂでの反射回数が２回の第２の超音波Ｓｗ２とでは、伝播経路の経路長が異なることとなり、音圧比算出手段４０ではこれらの超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比が算出される。
【００６８】
なお、第２の超音波Ｓｗ２に関して反射面７ａ，７ｂでの反射回数を増やせば、第１の超音波Ｓｗ１と第２の超音波Ｓｗ２との間の経路長差が大きくなるから、監視空間に煙粒子が入り込んだときの音圧比ＲＳの初期値Ｒ０からの変化量は大きくなるものの、第２の超音波Ｓｗ２の伝播経路の経路長が長くなることで受波素子３に到達する第２の超音波Ｓｗ２の音圧は低下する。したがって、第２の超音波Ｓｗ２の反射面７ａ，７ｂでの反射回数は、受波素子３で受波される第２の超音波Ｓｗ２の音圧と、煙粒子による音圧比ＲＳの変化量とのバランスを考慮して決定することが望ましい。
【００６９】
ここにおいて、各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２が受波素子３に到達するタイミングには、伝播経路の経路長Ｌ１，Ｌ２の差に応じた時間差Δｔ０（図６（ａ）参照）が生じる。この時間差Δｔ０は、経路長Ｌ１，Ｌ２の差を音速で除することにより求められる。受波素子３において各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を区別するためには、受波素子３で各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２をそれぞれ受波する期間を前記時間差Δｔ０内に収める必要がある。
【００７０】
つまり、たとえば音速が３４０ｍ／ｓで、音源部１から送波される超音波の周波数が１００ｋＨｚである場合、超音波は周期１０μｓ、波長３．４ｍｍとなるので、経路長Ｌ１，Ｌ２の差を６８ｍｍにすると、超音波の波数が２０波を超えれば超音波同士の重なりが生じ、受波素子３で各超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２を区別できなくなる。そこで、経路長Ｌ１，Ｌ２の差と音源部１から１回に送波する超音波の波数とを調整することにより、超音波同士の重なりが生じないようにする。火災感知器を小型化するために経路長Ｌ１，Ｌ２の差を小さくする場合などには、実施形態１で説明したように、発熱体層１３への通電に伴う発熱体層１３の温度変化により空気に熱衝撃を与えることで超音波を発生する構成であって、残響の少ない単パルス状の超音波を送波可能な音源部１を採用することが有用である。
【００７１】
また、本実施形態では、図８に示すように音源部１からの超音波の拡散範囲を狭める一対の拡散防止板６をさらに備えている。各拡散防止板６はそれぞれ平面視矩形状の平板からなり、一対の拡散防止板６は一表面同士を対向させるように略平行に配設される。ここで、一対の拡散防止板６は、前記一表面間に音源部１の高さと略同寸法の間隙を形成し、この間隙に音源部１からの超音波を通すことで当該超音波の拡散範囲を狭めるものであって、当該間隙を通して音源部１からの超音波を伝搬させるように、前記一表面の間に音源部１と受波素子３とを挟みこむ形で配設される。つまり、上述した一対の反射面７ａ，７ｂは、拡散防止板６の前記一表面に沿う面内で互いに対向する形で両拡散防止板６の間に形成される。このように拡散防止板６を設けたことにより、音源部１から送波される超音波は、拡散防止板６の前記一表面で囲まれた監視空間を通ることで拡散が抑制され、音源部１と受波素子３との間における超音波の拡散による音圧の低下を抑制することができる。
【００７２】
さらに、本実施形態では、各反射面７ａ，７ｂが反射波を他方の反射面７ａ，７ｂ上に焦点を結ぶ反射波として反射する形にそれぞれ湾曲した凹曲面（放物面）からなり、音源部１と受波素子３とは、各反射面７ａ，７ｂ上において、他方の反射面７ａ，７ｂに平面波として入射し反射された超音波が焦点を結ぶ位置に配置されている。しかして、音源部１から送波され第１の反射面７ａで反射された超音波は、第２の反射面７ｂで反射されることで受波素子３上に焦点を結ぶ。
【００７３】
要するに、図９（ａ）に示すように第２の反射面７ｂ上に配置された音源部１から放射状に広がりながら受波素子３側の第１の反射面７ａに到達した超音波は、第１の反射面７ａで反射されることによって図９（ｂ）に示すように音源部１側の第２の反射面７ｂに対する平行波となり、その後、第２の反射面７ｂで反射されることによって図９（ｃ）に示すように第１の反射面７ａ上の受波素子３の位置で焦点を結ぶこととなる。そのため、反射面７ａ，７ｂでの反射を繰り返しても超音波は拡散しにくく、且つ直線状に伝播する超音波と放射状に伝播する超音波とに関して伝播経路の経路長は同じになり、焦点での位相ずれによる干渉も生じない。
【００７４】
したがって、音源部１と受波素子３との間における超音波の音圧の低下を抑制することができる。その結果、煙濃度の変化量に対する受波素子３の出力の変化量が比較的大きくなり、ＳＮ比が向上する。
【００７５】
さらに詳しく説明すると、仮に反射面７ａ，７ｂがなければ、音源部１から送波された超音波は監視空間中で拡散減衰することにより、受波素子３で受波される際には伝播経路の経路長に応じて音圧が減衰する。これに対して、反射面７ａ，７ｂで反射される第２の超音波Ｓｗ２は、上述したように反射面７ａ，７ｂで反射されることにより他方の反射面７ａ，７ｂ上に集音され、結果的に拡散減衰が抑制されるので、反射面７ａ，７ｂで反射されることなく同じ経路長Ｌ２を伝播される超音波に比較すると、音圧の減衰量が小さくなる。つまり、受波素子３で受波される前記第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は、反射面７ａ，７ｂで反射されることなく経路長Ｌ２の伝播経路を通して音源部１から受波素子３に伝播される超音波の音圧Ｐ２に比べて大きくなり、煙濃度の分解能が向上する。このとき、第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０は前記音圧Ｐ２と音圧増大係数Ａ（＞１）との積（Ａ・Ｐ２）で表すことができる。なお、音圧増大係数は、超音波が反射面７ａ，７ｂで反射されることにより拡散減衰が抑制される度合いを表す係数であって、反射面７ａ，７ｂの形状や超音波の指向性などによって決まる。
【００７６】
以上説明した構成によれば、単一の音源部１から送波され単一の受波素子３で受波される複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２間の音圧比を算出することができるので、当該複数の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２が各個別の音源部１から送波され各個別の受波素子３で受波される構成に比べると、音圧比算出手段４０で算出される音圧比が複数の音源部１間で生じる特性変化のばらつきの影響や、複数の受波素子３間で生じる特性変化のばらつきの影響を受けることがない分だけ、音圧比の算出精度が向上する。しかも、音源部１から同一タイミングで送波された超音波について音圧比を算出するので、算出される音圧比は音源部１の駆動タイミングによって生じる音圧のばらつきの影響を受けることもない。
【００７７】
なお、上述の拡散防止板６を設けない場合においては、各反射面７ａ，７ｂをそれぞれ回転放物面とすることで、反射面７ａ，７ｂでの反射時における超音波の拡散を抑制する効果を最も高めることができる。
【００７８】
ところで、本実施形態の火災感知器は、音圧比補正手段４５が、音速計測手段４７で計測された監視空間の音速に基づいて、当該音速の変化に起因した音圧比算出手段４０の出力（音圧比ＲＳ）の初期値Ｒ０からの変動分をキャンセルするように前記音圧比ＲＳを補正する機能を有している。
【００７９】
要するに、監視空間における音速が変化すると、監視空間での超音波の指向性が変化し、その結果、第１の超音波Ｓｗ１と第２の超音波Ｓｗ２との音圧比ＲＳが変動する。さらに詳しく説明すると、たとえば音源部１から正弦波パルス状の超音波が送波される場合、音源部１の真正面の方向に対する角度θを用いて、指向性係数（前記角度θ＝０°での音圧を１としたときの音圧の大きさを示す係数）Ｄ１（θ）は以下の式で表される。なお、０≦θ≦ｓｉｎ−１（λ／４ａ）のときには数３が適用され、ｓｉｎ−１（λ／４ａ）≦θ≦π／２ａのときに数４が適用される。
【００８０】
【数３】
2010033534.tif 000005
【００８１】
【数４】
2010033534.tif 000006
【００８２】
上式中のλは超音波の波長を表しており、ａは音源部１のうち媒質としての空気に振動を与える発熱体層１３の表面（送波面）の一辺長の１／２の長さを表す（つまり、音源部１の送波面は一辺が２ａの正方形状となる）。波長λは、周知のように音速と周期（パルス幅）との積で表されるから、監視空間内での音速が変化すると、波長λが変化して上記指向性係数Ｄ１（θ）が変化する。
【００８３】
そして、指向性係数Ｄ１（θ）が変化すれば、前述の音圧増大係数Ａが変化し、これに伴い反射面７ａ，７ｂで反射された第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０（＝Ａ・Ｐ２）が変化する。ここで、変化後の音圧増大係数をＡ’（≠Ａ）とすれば、変化後の第２の超音波Ｓｗ２の音圧Ｐ２０’はＰ２０’＝Ａ’・Ｐ２で表されることとなるので、第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比は、Ｒ０’（＝Ｐ２０’／Ｐ１０）＝Ａ’・Ｐ２／Ｐ１０となり、初期値Ｒ０（＝Ｐ２０／Ｐ１０）＝Ａ・Ｐ２／Ｐ１０から変化する。つまり、指向性係数Ｄ１（θ）が変化すれば、煙濃度にかかわらず第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳは変化する。
【００８４】
そこで、本実施形態の音圧比補正手段４５は、音速の変化に起因した前記音圧比ＲＳの変動分をキャンセルするように、音速の変化に応じて前記音圧比ＲＳを補正する。具体的には、図１０に示すように減衰係数推定手段４４での推定結果（減衰係数α）だけでなく、音速計測手段４７での計測結果（音速）も音圧比補正手段４５へ入力し、減衰係数αの変化による音圧低下率Ｂ１の変動分が取り除かれ、且つ音速変化に起因した超音波の指向性変化による前記音圧増大係数の変動分（Ａ’−Ａ）が取り除かれるように、音圧比補正手段４５での音圧比ＲＳの補正値を決定する。これにより、煙濃度推定手段４１では、音速変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、監視空間の煙濃度を推定することができるので、煙濃度推定手段４１で推定される煙濃度に、音速変化による指向性の変化が影響することはない。
【００８５】
したがって、監視空間の音速変化により超音波の指向性が変化することがあっても、火災判断手段４２では、当該指向性変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断することで、前記指向性変化に起因した非火災報や失報を低減することができ、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【００８６】
また、音圧比補正手段４５においては、周囲環境の変化に起因した減衰係数αの変化と、音速変化に起因した指向性の変化との２つの要素を考慮して音圧比ＲＳを補正することになるので、これら２つの要素を統合した補正に関する重回帰式を用いて補正を行う構成としてもよい。これにより、前記補正を行う際の演算処理にかかる負荷の軽減を図ることができる。なお、前記重回帰式は、気圧が一定と仮定すれば、たとえば、温度と湿度との２次関数で表される。
【００８７】
その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【００８８】
（実施形態３）
本実施形態の火災感知器は、図１１に示すように反射面７ａ，７ｂの経年劣化や反射面７ａ，７ｂの汚れ等による反射面７ａ，７ｂの超音波の反射率変化に起因した音圧比変化を補正するための反射率変化補正手段５０を具備する点が、実施形態２の火災感知器と相違する。なお、実施形態２と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００８９】
すなわち、火災感知器においては監視空間へ煙が導入される構造とする必要があるため、反射面７ａ，７ｂは火災感知器が設置されている室内の雰囲気に晒されることとなり、反射面７ａ，７ｂを構成する反射板の体積弾性率が変化したり、反射面７ａ，７ｂの表面にたとえば塵埃、油分等の汚れが付着したりする場合がある。このような場合に、反射面７ａ，７ｂにおける超音波の反射率が変化し、当該反射率の変化に起因して、音圧比算出手段４０で算出される音圧比ＲＳが初期値Ｒ０から変化することがある。
【００９０】
ここにおいて、煙濃度推定手段４１で用いられるのは、音圧比補正手段４５にて周辺環境の変化に起因した減衰係数αの変化と音速変化に起因した指向性の変化との２つの要素を考慮して補正された音圧比ＲＳであるが、上述したような反射面７ａ，７ｂの反射率の変化は、周辺環境や音速変化に起因するものではなく、したがって、音圧比補正手段４５における補正では反射面７ａ，７ｂの反射率変化の影響を取り除くことはできない。
【００９１】
そこで、本実施形態では、反射面７ａ，７ｂでの超音波の反射率に関する値を推定する反射率変化推定手段５１と、反射率変化推定手段５１での推定結果に基づいて、反射面７ａ，７ｂの反射率変化に起因する音圧比ＲＳの変動分を取り除くように音圧比ＲＳを補正する反射率変化補正手段５０とを信号処理部４に有している。反射率変化補正手段５０は、音圧比補正手段４５の後段に設けられ、音圧比補正手段４５で補正後の音圧比をさらに補正してから煙濃度推定手段４１に渡すように構成される。
【００９２】
以下に、反射率変化推定手段５１において反射率に関する値を推定する手段について説明する。
【００９３】
反射面７ａ，７ｂでの超音波の反射率の初期値をｒとし、実際の反射率をｒ’とすれば、反射率ｒ’の初期値ｒに対する相対的な変化率はｒ’／ｒで表される。反射面７ａ，７ｂで１回以上反射されてから受波素子３に到達する超音波の音圧は前記変化率ｒ’／ｒに応じて変化することとなり、当該音圧の変化はｒ’／ｒの反射回数乗にて表される（つまり、反射面７ａ，７ｂでの反射回数がｎ回であれば、（ｒ’／ｒ）ｎで表される）。
【００９４】
すなわち、たとえば音源部１から送波された後に第１の反射面７ａで反射され、さらに第２の反射面７ｂで反射されることによって受波素子３に伝わる（反射回数が２回の）第２の超音波（反射波）Ｓｗ２の音圧Ｐ２０’は、Ｐ２０’＝Ｐ２０（ｒ’／ｒ）２で表されることとなる。そのため、音源部１から受波素子３に直接伝わる（反射回数が０回の）第１の超音波（直接波）Ｓｗ１と、前記第２の超音波Ｓｗ２との音圧比は、初期値をＲ０＝Ｐ２０／Ｐ１０とすると、反射面７ａ，７ｂの反射率変化によってＲ０’（＝Ｐ２０’／Ｐ１０）＝Ｐ２０／Ｐ１０・（ｒ’／ｒ）２＝Ｒ０・（ｒ’／ｒ）２となる。つまり、反射面７ａ，７ｂでの超音波の反射率が変化すれば、煙濃度にかかわらず第１および第２の超音波Ｓｗ１，Ｓｗ２の音圧比ＲＳは変化する。
【００９５】
ここにおいて、音源部１から送波された後に第１の反射面７ａで反射され、第２の反射面７ｂで反射され、さらに、第１の反射面７ａで反射され、第２の反射面７ｂで反射されることによって受波素子３に伝わる（反射回数が４回の）超音波を第３の超音波Ｓｗ３とする。このとき、第３の超音波Ｓｗ３の音圧Ｐ３０’は、その初期値をＰ３０としてＰ３０’＝Ｐ３０（ｒ’／ｒ）４で表されることとなる。そのため、音源部１から受波素子３に直接伝わる（反射回数が０回の）第１の超音波Ｓｗ１と、前記第３の超音波Ｓｗ２との音圧比は、初期値をＲ３＝Ｐ３０／Ｐ１０とすると、反射面７ａ，７ｂの反射率変化によってＲ３’（＝Ｐ３０’／Ｐ１０）＝Ｐ３０／Ｐ１０・（ｒ’／ｒ）４＝Ｒ３・（ｒ’／ｒ）４となる。
【００９６】
また、上記説明は、監視空間に煙粒子（あるいはその他の浮遊粒子）の流入がない場合における音圧比の変化から反射率の変化を求めるためのものであるが、実際の火災感知器の動作時には、監視空間に煙粒子等が流入している場合がある。ただ、監視空間に煙粒子等が流入したとしても、実施形態１で説明したように、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価での監視空間の煙濃度をＣ〔％／ｍ〕、煙濃度１〔％／ｍ〕に対する１〔ｍ〕当たりの超音波の減衰率をβ、超音波の伝播経路の経路長をｘ〔ｍ〕とした場合、受波素子３で受波される超音波の音圧ＰＳは、その初期値をＰ０としてＰＳ≒Ｐ０（１−βＣｘ）で表される。
【００９７】
ここに、本実施形態では、第１の反射面７ａが音源部１を中心とする球面の一部を形成し、第２の反射面７ｂが受波素子３を中心とする球面の一部を形成するものとし、音源部１と受波素子３との間の直線距離をＬとしたときに、音源部１から受波素子３に伝わる超音波の伝播経路長は、反射回数ｎを用いて（ｎ＋１）・Ｌで表されるものとする。つまり、反射回数が０回である第１の超音波（直接波）Ｓｗ１の伝播経路長ばＬ、反射回数が２回である第２の超音波（反射波）Ｓｗ２の伝播経路長は３Ｌ、反射回数が４回である第３の超音波（反射波）Ｓｗ３の伝播経路長は５Ｌで表されることとなる。したがって、上述したＲ０’＝Ｐ３０／Ｐ１０・（ｒ’／ｒ）４と、Ｒ３’＝Ｐ３０／Ｐ１０・（ｒ’／ｒ）４との２式において、それぞれＰＳ≒Ｐ０（１−βＣｘ）の関係式を代入することにより、煙濃度Ｃと反射率変化ｒ’／ｒとをそれぞれ求めることが可能である。
【００９８】
すなわち、反射率変化推定手段５１は、上記のように音源部１から受波素子３に直接伝わる直接波（第１の超音波Ｓｗ１）と、反射面７ａ，７ｂでの反射回数の異なる複数の反射波（第２および第３の超音波Ｓｗ２，Ｓｗ３）との音圧に基づいて反射面７ａ，７ｂにおける超音波の反射率変化ｒ’／ｒを求めることができるのであって、反射率変化補正手段５０では、求まった反射率変化ｒ’／ｒの分だけ音圧比ＲＳを補正する。このとき、反射面７ａ，７ｂの反射率の変化ｒ’／ｒによる音圧比ＲＳの変動分が取り除かれるように、反射率変化補正手段５０での音圧比ＲＳの補正値を決定する。これにより、煙濃度推定手段４１では、反射面７ａ，７ｂの反射率変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、監視空間の煙濃度を推定することができるので、煙濃度推定手段４１で推定される煙濃度に、反射面７ａ，７ｂの反射率変化が影響することはない。
【００９９】
したがって、反射面７ａ，７ｂの経年劣化や反射面７ａ，７ｂの汚れ等によって反射面７ａ，７ｂの反射率が変化することがあっても、火災判断手段４２では、当該反射率の変化の影響を受けずに火災発生の有無を判断することで、前記反射率の変化に起因した非火災報や失報を低減することができ、火災の有無の判断の確度が向上するという利点がある。
【０１００】
その他の構成および機能は実施形態２と同様である。
【０１０１】
（実施形態４）
本実施形態の火災感知器は、図１２に示すように監視空間の気圧を計測する気圧計測手段４８を信号処理部４に具備する点が、実施形態１の火災感知器と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【０１０２】
気圧計測手段４８は、温度計測手段４６および音速計測手段４７と共にパラメータ取得手段を構成する。減衰係数推定手段４４は、温度計測手段４６および音速計測手段４７の出力から得られる監視空間の温度と湿度、さらに気圧計測手段４８から得られる監視空間の気圧をパラメータとして、減衰係数αを推定する。そのため、監視空間の温度および湿度のみから減衰係数αを求める場合に比べて、減衰係数αの算出精度が高くなるという利点がある。
【０１０３】
ところで、本実施形態の気圧計測手段４８は、いずれかの受波素子３の出力に基づいて前記気圧を計測するものである。ここにおいて、受波素子３は、図１３に示すように気圧が一定に維持されている基準圧室３９ａと監視空間とを隔てる隔壁３２’を備えており、この隔壁３２’の一部に可動電極３３ｂが配置された構成を有する。隔壁３２’は超音波の圧力を監視空間側（図１３の上側）から受ける受圧部を形成し、したがって、隔壁３２’にて監視空間側から超音波を受けることで固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの距離が変化し、固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量が変化する。なお、図１３の例では、シリコン基板３１’の一表面側に絶縁膜３５’、金属薄膜からなる固定電極３３ａ、隔壁３２’を形成する絶縁層３９、金属薄膜からなる可動電極３３ｂが積層され、絶縁層３９の内部に空洞の基準圧室３９ａを形成した構成を採用している。
【０１０４】
この受波素子３においては、固定電極３３ａおよび可動電極３３ｂに設けたパッド３３ｃ，３３ｃ間に直流バイアス電圧が印加され、両パッド３３ｃ，３３ｃ間に超音波の音圧に応じて生じる微小な電圧変化が出力として取り出されるが、当該電圧変化に含まれる直流成分は、基準圧室３９ａと監視空間との気圧の差に相当する。そこで、気圧計測手段４８は、上述した電圧変化の直流成分に基づいて、監視空間の気圧を計測するように構成される。
【０１０５】
この構成によれば、受波素子３の出力である固定電極３３ａと可動電極３３ｂとの間の静電容量の変化を用いて監視空間の気圧を計測しているから、気圧を計測するための圧力センサ等を新たに設ける必要がない。したがって、火災感知器の部品点数の削減を図ることができる。
【０１０６】
なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様である。
【０１０７】
（実施形態５）
本実施形態の火災感知器は、図１４に示すように監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段４９を信号処理部４に具備する点が、実施形態１の火災感知器と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【０１０８】
ところで、本願発明者らは、音源部１と受波素子３との間の監視空間の浮遊粒子の種別に応じて図１５に示すように音源部１の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係が異なるという知見を得た。ここで、監視空間に浮遊粒子が存在しない状態で各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比（以下、初期音圧比という）をＲ０、減光式煙濃度計（減光式煙感知器）での評価でｓ〔％／ｍ〕となる濃度の浮遊粒子が監視空間に存在する状態で各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比をＲＳとしたときに、（Ｒ０−ＲＳ）／Ｒ０で表される値を音圧比の変化率と定義し、特にｓ＝１のときの前記変化率を単位変化率と定義する。ここにおいて、初期音圧比Ｒ０と音圧比ＲＳとは、監視空間における浮遊粒子の有無を除いては同一の条件で算出されるものとする。図１５中の「イ」は浮遊粒子が黒煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す近似曲線（黒丸が測定データ）、「ロ」は浮遊粒子が白煙の煙粒子である場合の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す近似曲線（黒四角が測定データ）、「ハ」は浮遊粒子が湯気の粒子である場合の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す近似曲線（黒三角が測定データ）であり、ここに示す単位変化率は、音源部１ａおよび受波素子３ａ間の超音波の伝播経路の経路長Ｌ１と音源部１ｂおよび受波素子３ｂ間の超音波の伝播経路の経路長Ｌ２との差（Ｌ２−Ｌ１）を３０ｃｍに設定したときの各出力周波数ごとのデータである。また、図１５における右端の各データは、出力周波数が８２ｋＨｚのときのデータであり、出力周波数が８２ｋＨｚのときのデータを１として各出力周波数の単位変化率を規格化した結果を図１６に示す。要するに、図１６は、横軸が出力周波数、縦軸が相対的単位変化率となっている。また、白煙の煙粒子のサイズは８００ｎｍ程度、黒煙の煙粒子のサイズは２００ｎｍ程度、湯気の粒子のサイズは数μｍ〜２０μｍ程度である。
【０１０９】
上述の知見に基づいて、本実施形態では、制御部２が、音源部１から周波数の異なる複数種の超音波が順次送波されるように音源部１を制御するようにし、信号処理部４は、少なくとも各出力周波数ごとの初期音圧比Ｒ０、上記監視空間に存在する浮遊粒子の種別および浮遊粒子濃度に応じた音源部１の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との関係データ（上述の図１６より抽出されるデータ）、煙粒子に関して特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）における音圧比の単位変化率（上述の図１５より抽出されるデータ）を記憶手段４３に記憶するとともに、音源部１から送波された各周波数の超音波ごとに音圧比算出手段４０の出力（各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比ＲＳ）と記憶手段４３に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定する粒子種別推定手段４９を有するようにしてある。
【０１１０】
ここに、本実施形態では実施形態１と同様、音圧比算出手段４０の後段に音圧比補正手段４５を設け、音圧比算出手段４０で算出された音圧比ＲＳを音圧比補正手段４５で補正してから粒子種別推定手段４９に渡すようにしてある。これにより、粒子種別推定手段４９では、減衰係数αの変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた音圧比ＲＳを用いて、監視空間の浮遊粒子の種別を推定することができるので、粒子種別推定手段４９での推定結果に、減衰係数αの変化が影響することはない。煙濃度推定手段４１は、粒子種別推定手段４９にて推定された粒子が煙粒子のときに、特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する音圧比算出手段４０の出力の初期音圧比Ｒ０からの変化量に基づいて上記監視空間の煙濃度を推定する。煙濃度推定手段４１で用いられる音圧比ＲＳもまた、音圧比補正手段４５にて減衰係数αの変化に起因した初期値Ｒ０からの変動分がキャンセルされた補正後の音圧比ＲＳである。
【０１１１】
以下に、本実施形態の火災感知器の動作例を図１７のフローチャートを参照して説明する。まず、音源部１から複数種の超音波を順次送波させ、各種の超音波に関して、各受波素子３ａ，３ｂにて受波される超音波間の音圧比ＲＳを音圧比算出手段４０で算出する（ステップＳ１１）。粒子種別推定手段４９は、各出力周波数ごとに算出された音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化率を求め（ステップＳ１２）、出力周波数が８２ｋＨｚでの音圧比の変化率に対する２０ｋＨｚでの音圧比の変化率の比を算出する（ステップＳ１３）。記憶手段４３には、音源部１の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との上記関係データとして、出力周波数が８２ｋＨｚでの相対的単位変化率に対する２０ｋＨｚでの相対的単位変化率の比（図１６の場合、白煙が０、黒煙が０．２、湯気が０．５となる）が記憶されており、粒子種別推定手段４９は、算出した変化率の比を記憶手段４３に記憶されている関係データと比較し、関係データの中で変化率の比が最も近い種別の粒子を監視空間に浮遊している粒子と推定する（ステップＳ１４）。ここで、推定された粒子が煙粒子であれば煙濃度推定手段４１での処理に移行する（ステップＳ１５）。ここにおいて、白煙の場合には図１８に示すように減光式煙濃度計で計測される煙濃度と音圧比の変化率との関係は直線で示すことのできるデータであり、他の粒子においても同様であるから、煙濃度推定手段４１は、推定された粒子種別について特定周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）の超音波に対する音圧比の変化率に関し記憶手段４３内の単位変化率に対する比を算出し、その比の値がｙの場合に監視空間の煙濃度が減光式煙濃度計での評価における煙濃度ｙ〔％／ｍ〕に相当すると推定する（ステップＳ１６）。火災判断手段４２は、ステップＳ１６で推定された煙濃度と所定の閾値（たとえば、減光式煙濃度計での評価で１０％／ｍとなる煙濃度）とを比較し、推定された煙濃度が上記閾値未満の場合には「火災無し」と判断する一方で、上記閾値以上の場合には「火災有り」と判断して火災感知信号を制御部２へ出力する。
【０１１２】
上述の例では、粒子種別推定手段４９は出力周波数が８２ｋＨｚのときの音圧比の変化率と２０ｋＨｚのときの音圧比の変化率とを用いているが、これらの出力周波数の組み合わせに限定するものではなく、異なる組み合わせの出力周波数を用いてもよい。さらに、より多くの出力周波数に対する音圧比の変化率を用いてもよく、その場合は粒子種別の推定の確度を向上させることができる。また、本実施形態では、煙濃度推定手段４１が特定周波数として１周波数を対象としているが、特定周波数として複数の周波数を対象とし、各特定周波数ごとに推定した煙濃度の平均値を求めるようにしてもよく、この場合、煙濃度の推定の確度が向上する。なお、信号処理部４は、マイクロコンピュータにより構成されており、粒子種別推定手段４９は上記マイクロコンピュータに適宜のプログラムを搭載することにより実現されている。
【０１１３】
本実施形態では、各音源部１ａ，１ｂとして実施形態１にて説明した音波発生素子をそれぞれ用いており、上述の制御部２は、各音源部１ａ，１ｂへ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、各音源部１ａ，１ｂから周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させる。ここにおいて、制御部２は、音源部１から送波させる超音波の周波数を所定の周波数範囲（たとえば、２０ｋＨｚ〜８２ｋＨｚ）の下限周波数（たとえば、２０ｋＨｚ）から上限周波数（たとえば、８２ｋＨｚ）まで変化させる。なお、本実施形態では、音源部１から周波数の異なる４種類の超音波が順次送波されるように制御部２が音源部１を制御するように構成してあるが、音源部１から送波させる超音波の周波数は４種類に限らず複数種類であればよく、たとえば、２種類とすれば、３種類以上の超音波を順次送波させる場合に比べて、制御部２および信号処理部４の負担を軽減できるとともに制御部２および信号処理部４の簡略化を図れる。本実施形態では、上述のように各音源部１ａ，１ｂとして実施形態１にて説明した音波発生素子をそれぞれ用いることで、順次送波する超音波をそれぞれ周波数の異なる超音波とすることができるので、各音源部１ａ，１ｂとして共振周波数の異なる複数の圧電素子をそれぞれ用いて各圧電素子から連続波の超音波を送波させる場合に比べて低コスト化を図れる。
【０１１４】
なお、本実施形態では、音源部１の出力周波数と音圧比の相対的単位変化率との関係データを記憶手段４３に記憶した例を示したが、そもそも監視空間に存在する浮遊粒子の種別に応じて音源部１の出力周波数ごとに変化するのは音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量（Ｒ０−ＲＳ）であるから、記憶手段４３に記憶する上記関係データは、音源部１の出力周波数と音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量との関係を示すデータであればよく、上述の相対的単位変化率に代えて、たとえば、音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量や、音圧比ＲＳの初期音圧比Ｒ０からの変化量を初期音圧比Ｒ０で除した変化率、あるいは単位変化率を採用した関係データを記憶手段４３に記憶するようにしてもよい。
【０１１５】
以上説明した本実施形態の火災感知器では、粒子種別推定手段４９において、音源部１から送波された各周波数の超音波ごとの音圧比と記憶手段４３に記憶されている関係データとを用いて上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定し、粒子種別推定手段４９にて推定された粒子が煙粒子のときに、煙濃度推定手段４１において、特定周波数の超音波に対する音圧比の初期音圧比からの変化量に基づいて上記監視空間の煙濃度を推定し、火災判断手段４２において、煙濃度推定手段４１にて推定された煙濃度と所定の閾値とを比較して火災の有無を判断するので、粒子種別推定手段４９において上記監視空間に浮遊している粒子の種別を推定することで煙粒子と湯気とを識別可能となり、散乱光式煙感知器および減光式煙感知器に比べて湯気に起因した非火災報を低減することが可能となって、台所や浴室での使用にも適する。また、粒子種別推定手段４９において白煙の煙粒子と黒煙の煙粒子とを識別可能となるから、火災の性状の識別に役立てることも可能となる。また、火災感知器を設置している室内の掃除や天井裏の電気工事などの際に浮遊する粉塵と煙粒子との識別も可能になるから、粉塵などに起因した非火災報を低減することも可能となる。
【０１１６】
ところで、本実施形態では各音源部１ａ，１ｂをそれぞれ単一の音波発生素子により構成し、制御部２が各音源部１ａ，１ｂへ与える駆動入力波形の周波数を順次変化させることにより、各音源部１ａ，１ｂから周波数の異なる複数種の超音波を順次送波させるようにしているが、互いに出力周波数の異なる複数の音波発生素子で各音源部１ａ，１ｂをそれぞれ構成してもよい。この場合には、各音波発生素子として圧電素子のように機械的振動により超音波を発生する素子を用い、各音波発生素子をそれぞれの共振周波数で駆動することにより、音源部１から送波される超音波の音圧を高めてＳＮ比の向上に寄与することができる。また、各音波発生素子を順次駆動して複数種の超音波を順次送波させるだけでなく、複数の音波発生素子を一斉に駆動して複数種の超音波を同時に送波させることも可能になる。
【０１１７】
また、各受波素子３ａ，３ｂにおいても各種の超音波に対してそれぞれ個別の受波素子を設けるようにしてもよく、この場合には、各受波素子として共振特性のＱ値が比較的大きな圧電素子などを用い、各受波素子をそれぞれの共振周波数の超音波の受波に用いることにより、受波素子の感度を向上させることができる。さらに、各音源部１ａ，１ｂを構成する複数の音波発生素子を一斉に駆動して各音源部１ａ，１ｂからそれぞれ複数種の超音波を同時に送波させれば、複数種の超音波について音圧比の変化量を同時に検出することができ、監視空間の経時的変化（たとえば浮遊粒子の濃度変化）の影響を受けることなく複数種の超音波について音圧比の変化量を検出して、浮遊粒子の種別や煙濃度を精度よく推定することができる。また、音源部１を構成する音波発生素子を受波素子３に兼用することも考えられ、この場合、音波発生素子から送波される超音波を当該音波発生素子に向けて反射する反射面が必要であるものの、素子数の低減による低コスト化を図ることができる。
【０１１８】
なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様であり、実施形態２の構成と組み合わせることで音源部１と受波素子３とを各１個ずつとしてもよい。
【０１１９】
ところで、上記各実施形態では、音源部１と制御部２と受波素子３と信号処理部４とを１枚の回路基板５に設けて図示しない器体内に収納してあるが、音源部１と制御部２とを備えた音源側ユニットと、受波素子３と信号処理部４とを備えた受波側ユニットとを別体として互いに対向配置する分離型の火災感知器を構成するようにしてもよい。また、音源部１は上述の図２に示した構成の音波発生素子に限らず、たとえば、アルミニウム製の薄板を発熱体部として当該発熱体部への通電に伴う発熱体部の急激な温度変化による熱衝撃によって音波を発生させるものでもよい。
【０１２０】
また、上記各実施形態において、制御部２が、音源部１から防虫効果のある周波数の超音波を送波させるようにすれば、上記監視空間に虫が侵入するのを防止することができ、虫に起因した非火災報を低減できる。ここで、制御部２は、煙濃度を推定するために音源部１から送波させる周波数の超音波とは別に、防虫効果のある周波数の超音波を定期的に送波させるようにしてもよいし、煙濃度を推定するために音源部１から送波する超音波の周波数を防虫効果のある周波数に設定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の実施形態１の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】同上に用いる音波発生素子を示す概略断面図である。
【図３】同上に用いる受波素子を示し、（ａ）は一部破断した概略斜面図、（ｂ）は概略断面図である。
【図４】同上の動作を示す概略図である。
【図５】同上の他の構成を示す概略ブロック図である。
【図６】同上の動作を示す波形図である。
【図７】同上の要部の構成を示す概略図である。
【図８】同上の要部を示す概略斜視図である。
【図９】同上の動作を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施形態２の構成を示す概略ブロック図である。
【図１１】本発明の実施形態３の構成を示す概略ブロック図である。
【図１２】本発明の実施形態４の構成を示す概略ブロック図である。
【図１３】同上に用いる受波素子の構成を示す概略断面図である。
【図１４】本発明の実施形態５の構成を示す概略ブロック図である。
【図１５】同上の音源部の出力周波数と音圧比の単位変化率との関係を示す説明図である。
【図１６】同上の音源部の出力周波数と相対的単位変化率との関係を示す説明図である。
【図１７】同上の動作例を示すフローチャートである。
【図１８】同上の煙濃度と特定周波数の音圧比の変化率との関係を示す説明図である。
【図１９】従来例の要部を示し、（ａ）は概略下面図、（ｂ）は概略側面図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１  音源部
２  制御部
３  受波素子
４  信号処理部
７ａ，７ｂ  反射面
４０  音圧比算出手段
４２  火災判断手段
４４  減衰係数推定手段
４５  音圧比補正手段
４６  温度計測手段
４７  音速計測手段
５０  反射率変化補正手段
５１  反射率変化推定手段
Ｌ１，Ｌ２  経路長
Ｐ１０，Ｐ２０，Ｐ１Ｓ，Ｐ２Ｓ  音圧
Ｒ０  音圧比の初期値
ＲＳ  音圧比
Ｓｗ１，Ｓｗ２  超音波
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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